李 俊，張曉濛，黃 凱，嚴(yán)曉浪

（浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路設(shè)計研究所，杭州310027）

多標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的可配置外設(shè)控制器設(shè)計

李 俊，張曉濛，黃 凱，嚴(yán)曉浪

（浙江大學(xué)超大規(guī)模集成電路設(shè)計研究所，杭州310027）

針對目前片上系統(tǒng)（SoC）低功耗低成本與接口協(xié)議多樣化的特點，分析多種常用外設(shè)接口協(xié)議，提出一種多標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的可配置接口控制器架構(gòu)。該架構(gòu)設(shè)計支持硬件重構(gòu)和軟件配置，通過可配置狀態(tài)機實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。在SoC設(shè)計中控制器可取代多個外設(shè)接口，從而減少芯片面積和功耗，降低整體成本。實驗結(jié)果表明，該控制器架構(gòu)能兼容I2C，SPI，UART等常用外設(shè)接口，與I2C，SPI，UART三者總和相比，面積節(jié)省65.2%，功耗節(jié)省67.8%。

片上系統(tǒng)；面積；功耗；通信協(xié)議；控制器

DO I：10.3969/j.issn.1000-3428.2015.10.004

1 概述

隨著集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步與嵌入式應(yīng)用的快速發(fā)展，片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）芯片在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛［1］。標(biāo)準(zhǔn)化通信接口（I/O）作為設(shè)備之間信息交流的主要通道，是SoC芯片不可或缺的部分。為滿足不同速度不同功能的通信需求，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界均提出了眾多接口協(xié)議，包括I2C，UART，SPI，PWM等。為了能夠兼容多種接口協(xié)議從而擴大SoC的應(yīng)用領(lǐng)域，SoC設(shè)計者通常在芯片中集成多個符合不同接口協(xié)議的IP模塊，但這樣明顯增加芯片面積、功耗和封裝引腳數(shù)，導(dǎo)致芯片成本的上升。因此，如何利用有限的面積、功耗和引腳數(shù)目兼容多種接口標(biāo)準(zhǔn)已成為嵌入式SoC產(chǎn)品開發(fā)的困難與挑戰(zhàn)之一。

為了減少封裝引腳，SoC設(shè)計者往往采用引腳復(fù)用技術(shù)［2］，通過軟件配置來實現(xiàn)不同接口之間的切換，在實際使用中每個時刻僅有一個外設(shè)接口處于工作狀態(tài)，其余的冗余接口導(dǎo)致面積和功耗的浪費。文獻(xiàn)［3］提出了一種兼容I2C和SPI的設(shè)計架

構(gòu)。該架構(gòu)通過軟件配置，支持2種協(xié)議的寬頻帶通信以及協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)［4］提出了一種兼容UART和SPI的架構(gòu)，該架構(gòu)能夠同時兼容異步和同步傳輸。在一定程度上，這種設(shè)計能在兼容2種協(xié)議情況下有效減少SoC面積與功耗。但如果SoC需要與多種外設(shè)接口通信時，該設(shè)計無法提供有效的支持，在靈活性上有所欠缺。

針對目前SoC設(shè)計中通信接口的設(shè)計缺點，本文提出一種靈活可配置多標(biāo)準(zhǔn)通信接口設(shè)計架構(gòu)。該架構(gòu)通過硬件資源復(fù)用和引腳復(fù)用技術(shù)，由用戶軟件配置使單個IP模塊能兼容多種接口協(xié)議（如UART，SPI，I2C，PWM等）。

2 通信協(xié)議分析

目前工業(yè)界通信接口協(xié)議具有多樣化、復(fù)雜化和異構(gòu)化的特點：通信協(xié)議按照時鐘類型分為同步模式（Synchronous）和異步模式（Asynchronous），如SPI和UART；按照數(shù)據(jù)信息的傳輸方向分為雙工、半雙工和單工通信過程；按照傳輸設(shè)備的相互關(guān)系分為主從（M aster-Slave）模式和對等模式；按照通信速度可分為高速接口（USB2.0）和低速接口（I2C）。為了使一個接口IP模塊在兼容多個通信標(biāo)準(zhǔn)同時盡量減少面積、功耗和引腳的開銷，通信協(xié)議在以上幾個方面必須具有相似性。下文通過不同協(xié)議的特點，從工作模式、通信數(shù)據(jù)格式等多方面來分析多種協(xié)議的特性與控制器支持的協(xié)議格式。

表1列舉了常用接口IP協(xié)議包含的特性，根據(jù)應(yīng)用協(xié)議，在接口的工作模式（1）下，協(xié)議可支持下述（2）～（6）等不同的特點。工作模式不但規(guī)范了協(xié)議特點，而且也確定了引腳復(fù)用，如圖1所示。

表1 常用接口IP特性

圖1 引腳復(fù)用

外設(shè)接口在不同的工作模式下需要不同的引腳，如同步工作模式下引腳需要有時鐘信號而異步工作模式下引腳則無需時鐘信號。因此，在定義可配置接口時需要考慮最大的引腳數(shù)目。在具體某種工作模式下，由于只有部分的引腳有作用，因此對引腳進(jìn)行復(fù)用即可。具體的引腳復(fù)用情況需視接口的工作模式而定。參考I2C，SPI，UART，PWM等常用的外設(shè)接口，發(fā)現(xiàn)它們具有很大的共性，只要設(shè)計的IP模塊支持以下功能就能兼容這些協(xié)議：（1）接口工作在主從模式或?qū)Φ饶Ｊ剑?］；（2）協(xié)議支持大端或小端；（3）協(xié)議支持同步模式或異步模式；（4）通信過程中支持雙工，半雙工或單工傳輸模式；（5）通信的波特率［6］；（6）發(fā)送/接收緩存區(qū)（TX/RX FIFO）。

不同開關(guān)的組合可以確定不同的接口引腳，表2列舉了兼容常用接口 IP時的開關(guān)組合情況。在多標(biāo)準(zhǔn)接口IP設(shè)計中，除了能夠兼容各種接口的傳輸模式和引腳以外，還必須考慮傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。通過傳輸數(shù)據(jù)格式的重構(gòu)，實現(xiàn)可配置外設(shè)接口協(xié)議［7］。通過對幾種常用接口協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析可知，數(shù)據(jù)格式可以拆分為3個基本組成部分：數(shù)據(jù)位，地址位，控制位?？刂莆桓鶕?jù)需要可以具有多樣性，主要包括：協(xié)議起始位和終止位，校驗位，響應(yīng)位等。由于某些應(yīng)用場合對協(xié)議要求的特殊性以及協(xié)議控制位的多樣性，可配置接口控制器為兼容常用標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議增加了通用控制位。通用控制位的位寬及電平均可配置。因此，通過以上分析，本文中所提出的可配置接口控制器的協(xié)議需由4個部分組成：數(shù)據(jù)位，地址位，一般控制位，通用控制位，如圖2所示?？刂破髟趨f(xié)議層對各協(xié)議各部分進(jìn)行組合，從而可以兼容多種外設(shè)接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

表2 引腳復(fù)用的應(yīng)用情況

圖2 控制器協(xié)議

根據(jù)上述分析，控制器若要兼容多種常用外設(shè)接口，則信號發(fā)生器必須能根據(jù)應(yīng)用隨時更改協(xié)議。信號發(fā)生器由狀態(tài)機控制，故需要可配置狀態(tài)機［8］來控制可配置協(xié)議。

3 可配置硬件架構(gòu)設(shè)計

控制器需要支持多種外設(shè)接口協(xié)議，則可配置性是關(guān)鍵。硬件配置可以根據(jù)應(yīng)用需求刪除不必要的模式和實現(xiàn)邏輯，節(jié)省面積功耗；軟件配置可以提高控制器的靈活性，達(dá)到兼容多種外設(shè)接口協(xié)議的目的。本文從硬件配置和軟件配置2個部分考慮設(shè)計架構(gòu)，如圖3所示?？刂破髦饕殖?個部分：控制器接口部分，主要是與AMBA總線，DMA控制器等通信的接口控制信號；狀態(tài)機部分，包括可配置狀態(tài)機和常用狀態(tài)機，可配置狀態(tài)機用于實現(xiàn)靈活可配置的協(xié)議，常用狀態(tài)機用于實現(xiàn)常用外設(shè)接口協(xié)議，如I2C，SPI，UART等；信號發(fā)生器部分，由狀態(tài)機控制的協(xié)議層信號部分，包括數(shù)據(jù)流的發(fā)送或接收、同步時鐘信號等。實際使用過程中通過軟硬件的協(xié)同配合能夠達(dá)到兼容多種外設(shè)接口協(xié)議的目的。

圖3 控制器設(shè)計架構(gòu)

3.1 可配置硬件

外設(shè)接口的應(yīng)用場合不同，則需實現(xiàn)的硬件模塊也不相同，例如異步通信過程無需接口頂層的低頻時鐘來進(jìn)行同步。因此，控制器設(shè)計需根據(jù)不同的應(yīng)用場合實現(xiàn)不同的硬件模塊，去掉不必要的硬件邏輯，減少面積功耗。如圖3設(shè)計架構(gòu)所示，控制器按照硬件可配置性主要可分為2個部分：（1）設(shè)計實現(xiàn)的基本框架，例如保存通信信息的狀態(tài)寄存器等，該部分由確定的硬件邏輯實現(xiàn)；（2）與可配置協(xié)議相關(guān)的控制邏輯與狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯，該部分邏輯的硬件實現(xiàn)由實際應(yīng)用決定［9］。其中，硬件可配置部分主要包括狀態(tài)機實現(xiàn)，控制器頂層低頻時鐘信號發(fā)生模塊，發(fā)送/接收緩沖區(qū)深度，DMA控制接口等。

狀態(tài)機實現(xiàn)主要包括可配置狀態(tài)機和常用接口狀態(tài)機兩部分。應(yīng)用過程中需選擇一種狀態(tài)機兼容接口協(xié)議。其中可配置狀態(tài)機為軟件可配置，該狀態(tài)機控制信號發(fā)生器兼容常用的外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過引腳分時復(fù)用實現(xiàn)與多種外設(shè)接口的通信；常用接口狀態(tài)機主要是針對應(yīng)用較多的外設(shè)接口，如I2C，SPI，UART，PWM等，此時控制器只能兼容特定的外設(shè)接口協(xié)議。通過2種狀態(tài)機的劃分以及實現(xiàn)，該控制器能夠很好地兼顧靈活性并減少面積功耗。另外，此設(shè)計還可以根據(jù)通信協(xié)議支持同步或異步來確定是否實現(xiàn)頂層的低頻時鐘信號，根據(jù)應(yīng)用場合確定發(fā)送/接收緩沖區(qū)深度，以及根據(jù)需求確定是否實現(xiàn)DMA控制接口。硬件可配置能夠最大限度地利用硬件資源，減少不必要的資源浪費。

3.2 可配置軟件

在硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用者通過軟件配置能夠更好地操作控制器兼容多種外設(shè)接口協(xié)議。傳統(tǒng)的狀態(tài)機有確定的輸入輸出，確定的狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系［10］。而可配置狀態(tài)機則可通過軟件配置確定不同的狀態(tài)以及各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)狀態(tài)機多樣化，兼容多種接口協(xié)議。如圖4所示，可配置狀態(tài)機的實現(xiàn)主要由兩部分組成：狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯和輸入控制邏輯［11］。狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯確定可配置狀態(tài)機的狀態(tài)以及狀態(tài)之間的跳變關(guān)系；而輸入控制邏輯直接控制狀態(tài)的跳變時刻。

圖4 可配置狀態(tài)機

圖中通過I2C舉例說明了可配置狀態(tài)機的工作原理。狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯確定兼容I2C協(xié)議時包含的狀態(tài)及狀態(tài)機之間跳變關(guān)系。在當(dāng)前狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯編碼獲取下一狀態(tài)。圖中JUMP-4和JUMP-8狀態(tài)可根據(jù)當(dāng)前收到數(shù)據(jù)不同而指定不同的下一狀

態(tài)，下一狀態(tài)可以是狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯中的任意一個狀態(tài)；而其余的狀態(tài)均是對I2C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的狀態(tài)。狀態(tài)機跳變的時刻由寄存器存儲的計數(shù)器控制，計數(shù)器達(dá)到特定的數(shù)值則狀態(tài)發(fā)生跳變。狀態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯本質(zhì)上是一個查找表（Look Up Table）［12］。查找表中存儲了狀態(tài)機信息，每個狀態(tài)信息由轉(zhuǎn)換邏輯編碼。查找表中存儲的狀態(tài)包括兩部分：數(shù)據(jù)處理狀態(tài)和跳變狀態(tài)。在數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，控制器處理協(xié)議中的相關(guān)信息，包括發(fā)送/接收數(shù)據(jù)或者檢測數(shù)據(jù)流。協(xié)議信息處理完之后，狀態(tài)機的下一個狀態(tài)由查找表的下一個狀態(tài)決定。與之對應(yīng)，跳變狀態(tài)并不處理數(shù)據(jù)，而是確定當(dāng)前狀態(tài)的下一狀態(tài)，下一狀態(tài)可以是查找表中的任意一個狀態(tài)。跳變狀態(tài)能夠很好的拓展協(xié)議的靈活性，使控制器能夠兼容更多地標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議。

輸入控制邏輯主要由兩部分組成：寄存器（register）和計數(shù)器（counter）。與單一協(xié)議不同，控制器需要支持多種協(xié)議，因此其必須存在多個計數(shù)器以確定協(xié)議各部分的長度。每個計數(shù)器與狀態(tài)機一一對應(yīng)，在特定的狀態(tài)下，相應(yīng)的計數(shù)器才有效。寄存器存儲了多個計數(shù)器的值，同時也存儲了一些協(xié)議的基本信息，例如，協(xié)議支持大端還是小端，是否支持奇偶校驗等。寄存器和計數(shù)器共同作用，增加了控制器的靈活性。

4 實驗結(jié)果與分析

可配置控制器根據(jù)不同的應(yīng)用實現(xiàn)不同的硬件設(shè)計?；诤贾菟诽煳⑾到y(tǒng)平臺，選取 CK803［13］作為主控處理器，本文介紹了不同配置情況下控制器的實現(xiàn)方式。

如圖5所示，根據(jù)用戶配置產(chǎn)生IP與SoC的過程：（1）在GUI界面中用戶規(guī)范整個SoC設(shè)計，包括添加的IP模塊、各IP模塊的配置、模塊之間的互聯(lián)等；（2）design parser工具對GUI界面進(jìn)行解析，并將獲得信息存儲在 design.xm l文件中。（3）將design.xm l文件備份后，根據(jù)該文件配置SoC平臺并從IP庫中拷貝IP原始代碼。（4）IP-GEN工具根據(jù)每個IP的配置對IP原始代碼進(jìn)行修改，修改后的IP掛載于AMBA2.0總線上［14］。根據(jù)上述過程可以快速獲得不同配置下的IP設(shè)計與SoC系統(tǒng)設(shè)計。

在不同配置下實現(xiàn)的控制器面積功耗也不相同。表3列出了控制器模式下的面積功耗及其比較結(jié)果，其中，pclk=50 MHz。在SM IC13工藝，內(nèi)置的發(fā)送和接收緩沖區(qū)深度為16的前提條件下，本文將可配置外設(shè)接口控制器與Syposysy DesignWare的接口IP進(jìn)行面積和功耗對比。與單一的外設(shè)接口相比，控制器的面積功耗均有增加，但考慮到控制器能夠兼容多種外設(shè)，其整體的面積功耗與 I2C，SPI，UART之和相比分別減少了65.2%和67.8%，在SoC應(yīng)用中能夠達(dá)到更高的能效比。

圖5 控制器實現(xiàn)方式

表3 面積功耗比較

5 結(jié)束語

本文描述一種可配置外設(shè)接口控制器的ASIC實現(xiàn)方法，并將其集成于 SoC中進(jìn)行性能分析。該控制器能夠支持常用的外設(shè)接口協(xié)議，并可由用戶配置。在相同條件下，將本文提出的控制器和其他外設(shè)接口的面積功耗相比較，本文控制器架構(gòu)都具有較大優(yōu)勢。因此，在SoC中用可配置控制器代替外設(shè)接口，可以減少整體的芯片面積和功耗。

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編輯索書志

Design of Reconfigurable Peripheral Controller with Multiple Standard Communication Protocol

LI Jun，ZHANG Xiaomeng，HUANG Kai，YAN Xiaolang
（Institute of VLSI Design，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Aiming at design features of System on Chip（SoC）with low power consumption，low cost and variety of the interface protocol，multiple commonly used peripheral interface protocols are analyzed，and an architecture of the reconfigurable peripheral controller with flexible multiple communication protocols is proposed.The design supports hardware reconfiguration and software configuration.Multiple standard communication protocols are supported with the configurable finite state machine.The controller can replace multiple peripheral interfaces in the design of SoC，which results in less area and power consumption and reduces the overall cost of the chip.Experimental results show that the architecture of controller is compatible with the commonly used peripheral interface such as I2C，SPI，UART，etc.It achieves 65.2%of area occupation savings and 67.8%of power consumption savings when com pared with the combination of I2C，SPI and UART.

System on Chip（SoC）；area；power consumption；communication protocol；controller

李 俊，張曉濛，黃 凱，等.多標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的可配置外設(shè)控制器設(shè)計［J］.計算機工程，2015，41（10）：14-19.

英文引用格式：Li Jun，Zhang Xiaomeng，Huang Kai，et al.Design of Reconfigurable Peripheral Controller with Multiple Standard Communication Protocol［J］.Computer Engineering，2015，41（10）：14-19.

1000-3428（2015）10-0014-06

A

TP391

國家自然科學(xué)基金資助項目（61100074）；國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院基金資助項目“新一代智能電網(wǎng)片上系統(tǒng)芯片關(guān)鍵技術(shù)研究”（SGRI-WD-71-13-014）。

李 俊（1990-），男，碩士研究生，主研方向：ASIC芯片設(shè)計，片上系統(tǒng)設(shè)計；張曉濛，博士；黃 凱，副教授；嚴(yán)曉浪，教授、博士生導(dǎo)師。

2014-11-06

2014-12-09E-m ail：lijunzjdy@126.com